Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А...У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2...0,4% марганца. Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200...250°С) их твердость резко уменьшается.
Легированные инструментальные стали, по своему химическому составу, отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного либо нескольких легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, ванадия, кобальта, молибдена. Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами - лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонности к короблению, но теплостойкость их равна 250...270°С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, метчики).
Следует отметить, что за последние 15…20 лет существенных изменений этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.
4.3.2. Быстрорежущие стали .
В настоящее время быстрорежущие стали являются основным материалом для изготовления режущего инструмента, несмотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспечивает более высокую производительность обработки. Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления сложно-профильных инструментов определяется сочетанием высоких значений твердости (до HRC = 68 ед.) и теплостойкости (600…650°С) при уровне хрупкой прочности и вязкости, превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обрабатываются давлением и резанием в отожженном состоянии. В обозначении быстрорежущей стали буква Р (Rapid) означает, что сталь быстрорежущая, а следующая за буквой цифра - содержание вольфрама в %. Следующие буквы обозначают: М - молибден, Ф - ванадий, К - кобальт, А - азот. Цифры за буквами, означают их содержание в %. Содержание азота составляет 0,05…0,1%.
Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы: нормальной, повышенной и высокой теплостойкости.
К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовая Р18 и вольфрамо-молибденовая Р6М5 стали (таблица 5.). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63...64 HRC, предел прочности при изгибе 2900...3400МПа, ударную вязкость 2,7...4,8Дж/м2 и теплостойкость 600°...620°С. Указанные марки стали получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Объем производства стали Р6М5 достигает 80% от всего объема выпуска быстрорежущей стали. Она используется при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс.
Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода, ванадия и кобальта. Среди ванадиевых сталей наибольшее применение получила марка Р6М5ФЗ. Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия (VC), твердость которых не уступает твердости зерен электрокорундового шлифовального круга (Аl2О3). Шлифуемость - это важнейшее технологическое свойство, которое определяет не только особенности при изготовлении инструментов, но и при его эксплуатации (переточках).
Таблица 5. Химический состав быстрорежущих сталей
| Марка быстрорежу-щей стали | Содержание легирующих элементов, % | ||||||
| Углерод | Хром | Вольфрам | Ванадий | Кобальт | Молиб-ден | Азот | |
| Стали нормальной теплостойкости | |||||||
| Р18 | 0,73…0,83 | 3,8…4,4 | 17,0…18,5 | 1,0…1,4 | н.б. 0,50 | н.б. 1,0 | - |
| Р6М5 | 0,82...0,9 | 3,8…4,4 | 5,5…6,5 | 1,7…2,1 | н.б. 0,5 | 4,8…5,3 | - |
| Стали повышенной теплостойкости | |||||||
| 11РЗАМЗФ2 | 1,02…1,12 | 3,8…4,3 | 2,5…3,3 | 2,3…2,7 | н.б. 0,5 | 2,5…3,0 | 0,05…0,1 |
| Р6М5ФЗ | 0,95…1,05 | 3,8…4,3 | 5,7…6,7 | 2,3…2,7 | н.б. 0,50 | 4,8…5,3 | - |
| Р12ФЗ | 0,95…1,05 | 3,8…4,3 | 12,0…13,0 | 2,5…3,0 | н.б. 0,5 | н.б. 0,5 | - |
| Р18К5Ф2 | 0,85…0,95 | 3,8…4,4 | 17,0…18,5 | 1,8…2,2 | 4,7…5,2 | н.б. 1,0 | - |
| Р9К5 | 0,9…1,0 | 3,8…4,4 | 9,0…10,0 | 2,3…2,7 | 5,0…6,0 | н.б. 1,0 | - |
| Р6М5К5 | 0,94…0,92 | 3,8…4,3 | 5,7…6,7 | 1,7…2,1 | 4,7…5,2 | 4,8…5,3 | - |
| Стали высокой теплостойкости | |||||||
| В11М7К23 | 0,1 | - | 11,0 | 0,5 | 23,0 | 7,0 | - |
| В14М7К25 | 0,1 | - | 14,0 | 0,5 | 25,0 | 7,0 | - |
По шлифуемости быстрорежущие стали можно разделить на 4 группы:
Группа 1. Содержание ванадия до 1,4% и относительная шлифуемость 0,9…1 (за единицу принята «обрабатываемость при шлифовании» стали Р18, обладающей наилучшей шлифуемостью).
Группа 2. Содержание ванадия 1,7…2,2%, относительная шлифуемость 0,5…0,95, в эту группу входят стали Р6М5, Р6М5К5, Р2АМ9К5 и др.
Группа 3. Содержание ванадия 2,3…3,3%, относительная шлифуемость 0,3…0,5 (11РЗАМЗФ2, Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р9, Р9М4К8 и др.)
Группа 4. Содержание ванадия более 4%, относительная шлифуемость 0,2…0,3 (Р12Ф4К5 и др.).
Порошковые быстрорежущие стали, независимо от содержания ванадия, относятся к группам 1 и 2, т.е. обладают хорошей шлифуемостью.
Стали с пониженной шлифуемостью склонны к прижогам, т.е. к изменению структуры поверхностных слоев стали после шлифования или заточки, появлению зон вторичного отпуска с пониженной твердостью. Следствием прижогов может быть значительное снижение стойкости инструмента.
Однако, проблема «шлифуемости» ванадиевых быстрорежущих сталей, успешно решается если при заточке и доводке режущих инструментов применяются абразивные круги с зернами из СТМ на основе кубического нитрида бора (КНБ).
Ванадиевые быстрорежущие стали находят применение для инструментов несложных форм при чистовых и получистовых условиях резания для обработки материалов, обладающих повышенными абразивными свойствами.
Среди кобальтовых сталей наибольшее применение нашли марки Р6М5К5, Р9М4К8, Р18К5Ф2, Р9К5, Р2АМ9К5 и др. Введение кобальта в состав быстрорежущей стали наиболее значительно повышает ее твердость (до 66…68 HRC) и теплостойкость (до 640…650°С). Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.
Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности. Период стойкости инструментов из таких сталей в 3…5 раз выше, чем из сталей Р18, Р6М5.
Стали высокой теплостойкости характеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большим количеством легирующих элементов – B11M7K23, В14М7К25, ЗВ20К20Х4Ф. Они имеют твердость 69...70 HRC и теплостойкость-700...720°С. Рациональная область использования - резание труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 60 раз выше, чем из стали Р18, и в 8…15 раз выше, чем из твердого сплава ВК8. Значительными недостатками этих сталей является их низкая прочность при изгибе (не выше 2400 МПа) и низкая обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38…40 HRC) при изготовлении инструмента.
Экономно легированные быстрорежущие стали.
В связи со все более возрастающим дефицитом вольфрама и молибдена - основных легирующих элементов,используемых при производстве быстрорежущей стали, все большее применение находят экономно легированные марки. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11РЗАМЗФ2, которая используется при производстве инструмента, так как обладает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63-64), прочности (σи-3400 МПа) и теплостойкости (до 620°С). Сталь 11РЗАМЗФ2 технологична в металлургическом производстве, однако, из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).
